WO1998010244A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der räumlichen koordinaten von gegenständen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der räumlichen koordinaten von gegenständen Download PDF

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WO1998010244A1
WO1998010244A1 PCT/DE1997/001975 DE9701975W WO9810244A1 WO 1998010244 A1 WO1998010244 A1 WO 1998010244A1 DE 9701975 W DE9701975 W DE 9701975W WO 9810244 A1 WO9810244 A1 WO 9810244A1
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light patterns
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Wolfgang Schreiber
Volker Kirschner
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring distances and / or spatial coordinates of objects and / or changing them over time according to the preambles of claims 1 and 9.
  • Devices and methods of this type are used for 3D measuring methods, in particular in mechanical engineering, automobile construction, ceramic industry, shoe industry, jewelry industry, medicine and other areas. They are used to check the dimensional accuracy and quality control of components in production or to digitize designs, models and samples. There is increasing interest in 3D measurement methods, especially in medicine. 3D measurements open up new possibilities here Diagnostics and in connection with digitization systems in plastic surgery.
  • optical measuring methods lie in the non-contact and thus non-reactive measurement and in the fact that the information about the object is available in a pictorial form and is therefore easy to understand.
  • optical measurement methods include the stripe projection technology including the Gray code technology, the Moire method, the holographic and speckle contouring method and photogrammetry.
  • the measurement parameters of interest ie the spatial coordinates of the surface of objects
  • indirectly from phase measurement values in cut line images of light patterns, for example stripe patterns, which are projected onto the project, from phase measurement values in Moires, from coordinates of the penetration points of observation beams are determined by the receiver plane and from parameters which characterize the geometry of the measurement arrangement, ie the light sources, optical components and the image recording device.
  • the geometry parameters of the measurement arrangement known, one can calculate the coordinates of the measuring points on the surface of the object in a sensor coordinate system by triangulation from three linearly independent phase measurement values and image or pixel coordinates.
  • a method for measuring the shape or shape change of bodies with a scattering surface in which by means of three mutually independent sets of surfaces of equal brightness and taking into account the geometry parameters of the lighting and recording device for each measuring point on the surface of the three spatial coordinates can be determined.
  • a reference point is defined as the zero point of a coordinate system on the surface of the body, relative to which the coordinates of the remaining surface points are determined. Passing marks on the object are also required to combine partial views.
  • the coded light method is used as a triangulation technique to measure the object.
  • the exposure of the object with a stripe pattern is carried out by the projector which enables the best illumination of the object in relation to the object and in relation to the position of the sensor.
  • a disadvantage of the methods according to the prior art is that the properties, ie the geometry parameters of the measuring device have an influence on the determination of the coordinates of the measuring points. Therefore, these geometry parameters usually have to be determined by measuring a known object before starting the measurement.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for determining the spatial coordinates of objects and / or their change over time, which calibrates itself and enables a high density of measurement points while at the same time determining coordinates quickly.
  • the object is illuminated successively from at least two predetermined directions and from each of these directions again with at least two independent light patterns in succession or from each direction with a light pattern, its light intensity as a sum of second independent Light patterns can be described, a total of at least four recordings of independent light patterns or two recordings of independent light patterns and composed of two independent light patterns are available. This means that per
  • Measuring point at least four phase measurements can be determined from the total of four independent light patterns. This means that more than the three independent measurement values required to determine the coordinate of the measurement point are available per measurement point, so that with the help of the surplus measurement values, the geometry parameters of the measurement device can also be determined using otherwise known mathematical methods, such as, for example, bundle compensation.
  • All the required parameters and coordinates can be determined from the four phase measurement values per measurement point alone. Since the number of measuring points is very high, the number of excess phase measurements is also large. For example, in the case of exposure from ten or twenty directions, each measuring point contributes seven or seventeen extra phase measurements to determine the geometric parameters of the arrangement.
  • a self-calibrating system is subsequently provided, since the system or geometry parameters which are absolutely necessary in addition to the measured values for a coordinate calculation are determined simultaneously with the coordinate values.
  • the determination of homologous points with the help of features, correlation techniques or markings, which is necessary in photogrammetry, is no longer necessary. No marks or control points are required to merge partial views.
  • the number of excess measurement values is far greater than the number of geometry parameters to be determined. It is therefore no longer necessary to know, for example, the optical imaging properties of the sensor system, for example the CCD camera.
  • the measuring method is therefore independent of the properties of the components of the measuring system used.
  • Two stripe patterns for example line gratings, can advantageously be used as independent light patterns. If these are rotated relative to each other by a predetermined angle, ideally 90 °, then evaluation is possible using simple mathematical algorithms. In addition, other angle settings between 0 ° and 90 ° are possible. In these cases, more than two angular positions can be used.
  • An additive cross grating for example, is suitable as a light pattern, the light intensity of which can be described as the sum of two independent light patterns.
  • Such a cross grating can be regarded as an independent superimposition of two periodic line grids rotated by 90 ° with respect to one another.
  • the measuring time can be further reduced with the method according to the invention. Will be the same for the exposure of the individual light patterns If the projection device is used, the geometry and imaging properties of this projection device only have to be determined from the phase measurement values. In this case, of course, the projection device must be moved between the individual exposure processes.
  • Fig. 1 shows a measuring device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of the method according to the invention.
  • one or more line gratings or Gray code sequences are projected onto the object to be measured from at least two different directions that can be selected as desired.
  • the generated intensity distributions are registered by at least one camera, which are used to calculate the phase measurement values using otherwise known phase-step or phase-shift techniques or combinations of Gray code and phase-step techniques allow every measuring point.
  • the position of the camera or cameras remains unchanged during registration.
  • the grid lines or the gray code sequence are rotated through 90 ° or also through one or more angles between 0 ° and 90 ° and projected again from the same direction onto the object, the axis of rotation being perpendicular to the grating surface.
  • phase values measured in this way correspond to coordinate measured values in the grid plane of the projector, the index j indicating the number of illuminating devices or illuminating directions.
  • x, y, z coordinates of the measuring point in a given sensor coordinate system
  • x OJ , y 0J , z OJ coordinates of the projection centers of the
  • r ui matrix elements of a rotation matrix that describe the rotation of the grid coordinate system against the coordinate system x, y, z, - JT-J O - phase values at the main point of the projector
  • c projector constant that describes the vertical distance between the grid plane and the projection center
  • c is a parameter that is the same for all projector positions
  • ⁇ line spacing of the grid.
  • phase measurement values and coordinates can be expanded in a simple manner so that the distortion of the projector lens is also taken into account as a geometry parameter.
  • both the coordinates of the measuring points and the sensor parameters can be calculated simultaneously from the phase measurement values obtained with at least two different projection directions.
  • FIG. 1 shows a measuring device according to the invention with two projectors 2 and 4 and a CCD camera 3.
  • two stripe patterns with intermittent grating rotation are projected onto an object 1 from two different directions, which are recorded by the CCD camera 3.
  • at least four phase measurement values for each measuring point and the coordinates of the measuring point and from these phase measurement values are made from these recorded images of the surface of the object 1 determines the geometry and imaging properties of the measuring device.
  • FIG. 2 shows the successive projection of stripe patterns perpendicular to one another onto an object 1.
  • the same reference numerals designate the same elements.
  • 2A shows a projection device which has a light source 5, a condenser lens 6, a strip grating 7a and a projection lens 8.
  • the projection device uses the line grid 7a to project a perpendicular line pattern onto the object 1 to be measured.
  • the stripe pattern created on the object 1 is recorded by a camera.
  • a second step uses the line grid 7a to project a perpendicular line pattern onto the object 1 to be measured.
  • the stripe pattern created on the object 1 is recorded by a camera.
  • Step the line grid 7a is rotated through 90 ° and, as in FIG. 2B, is projected as a line grid 7b from the projection device onto the object 1.
  • This line pattern generated on the surface of the object to be measured is also recorded by the camera.
  • each light pattern gives a phase measurement value for each measurement point on the surface of the object 1, four phase measurement values are available for each measurement point for determining the coordinates of the measurement points and the geometry parameters of the measurement arrangement.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der zu vermessende Gegenstand (1) mit Projektionsvorrichtungen (2, 4) aufeinanderfolgend aus mindestens zwei vorbestimmten Richtungen entweder nacheinander mit mindestens zwei unabhängigen Lichtmustern oder mit einem Lichtmuster belichtet, dessen Lichtintensität als Summe zweier unabhängiger Lichtmuster beschrieben werden kann. Aus den mit einem Sensor (3) erzeugten Aufnahmen dieser mindestens vier Lichtmuster werden vier Phasenmeßwerte für jeden Meßpunkt ermittelt, d.h. pro Meßpunkt steht mindestens ein überzähliger Phasenmeßwert zur Verfügung, mit dem zusätzlich die Geometrieparameter der Meßvorrichtung mit Hilfe ansonsten bekannter mathematischer Verfahren, wie beispielsweise dem Bündelausgleich, bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen also den Aufbau eines selbstkalibrierenden Meßsystems.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESΗMMUNG DER RÄUMLICHEN KOORDINATEN VON GEGENSTÄNDEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung nach den Oberbegriffen der An- sprüche 1 und 9.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden für 3D- Meßverfahren insbesondere im Maschinenbau, Automobil - bau, Keramikindustrie, Schuhindustrie, Schmuckindu- strie, Medizin und weiteren Bereichen verwendet. Sie dienen der Überprüfung der Maßhaltigkeit und Qualitätskontrolle von Bauteilen in der Fertigung oder auch der Digitalisierung von Entwürfen, Modellen und Mustern. Zunehmendes Interesse für 3D-Meßverfahren gibt es insbesondere auch in der Medizin. Hier ergeben sich durch 3D-Vermessungen neue Möglichkeiten zur Diagnostik und in Verbindung mit Digitalisierungssy- stemen in der plastischen Chirurgie.
Die steigenden Forderungen nach einer weitgehend vollständigen Qualitätskontrolle im laufenden Produktionsprozeß sowie nach der Digitalisierung der Raumform von Prototypen machen die Aufnahme von Oberflä- chentopografien zu einer immer häufiger gestellten Meßaufgabe. Dabei stellt sich die Aufgabe, die Koor- dinaten einzelner Punkte der Oberfläche der zu vermessenden Gegenstände in kurzer Zeit zu bestimmen. Es gibt unterschiedliche Ansätze, sowohl das Zeit- als auch das Antastproblem durch den Einsatz optischer Meßverfahren zu lösen. Der Vorteil optischer Meßver- fahren liegt in der berührungslosen und damit rückwirkungsfreien Messung sowie darin, daß die Informationen über das Objekt in bildhafter Form und damit leicht verständlich vorliegen. Zu diesen optischen Meßverfahren gehört die Streifenprojektionstechnik einschließlich der Gray-Code-Technik, das Moireverfahren, das holografische und Speckle-Contouring-Ver- fahren sowie die Fotogrammetrie.
Charakteristisch für diese Verfahren ist, daß die interessierenden Meßgrößen, d.h. die Raumkoordinaten der Oberfläche von Gegenständen, indirekt aus Phasenmeßwerten in Schnittlinienbildern von Lichtmustern, beispielsweise Streifenmustern, die auf das Projekt projiziert werden, aus Phasenmeßwerten in Moires, aus Koordinaten der Durchstoßungspunkte von Beobachtungs- strahlen durch die Empfängerebene sowie aus Parametern bestimmt werden, die die Geometrie der Meßanordnung, d.h. die Lichtquellen, optischen Bauelemente sowie die Bildaufzeichnungsvorrichtung charakterisie- ren. Sind die Geometrieparameter der Meßanordnung bekannt, kann man aus drei linear voneinander unabhängigen Phasenmeßwerten und Bild- bzw. Pixelkoordinaten die Koordinaten der Meßpunkte auf der Oberfläche des Gegenstandes in einem Sensorkoordinatensystem durch Triangulation berechnen.
Aus der DD 280 169 AI ist ein Verfahren zur Vermessung der Form bzw. Formänderung von Körpern mit streuender Oberfläche bekannt, bei dem mittels dreier voneinander unabhängiger Flächenscharen gleicher Helligkeit sowie unter Berücksichtigung der Geometrieparameter der Beleuchtungs- und Aufnahmevorrichtung für jeden Meßpunkt auf der Oberfläche des zu vermessenden Körpers drei Raumkoordinaten bestimmt werden. Hierbei ist es jedoch nötig, daß auf der Oberfläche des Körpers ein Bezugspunkt als Nullpunkt eines Koordinatensystems festgelegt wird, relativ zu dem die Koordinaten der restlichen Oberflächenpunkte bestimmt werden. Für das Zusammenfügen von Teilansichten sind darüber hinaus Paßmarkierungen am Objekt erforderlich.
Aus STAHS und WAHL, "Oberflächenvermessung mit einem 3D-Robotersensor" , ZPF Zeitschrift für Photogramme- trie und Fernerkundung 6/1990, Seiten 190 - 202, ist eine Meßvorrichtung bekannt, die einen Sensor zur
Bildaufnahme sowie mindestens zwei Projektoren aufweist . Hierbei wird zur Vermessung des Gegenstandes als Triangulationstechnik das codierte Lichtverfahren angewandt. Die Belichtung des Gegenstandes mit einem Streifenmuster erfolgt dabei durch denjenigen Projektor, der in bezug auf den Gegenstand und in bezug auf die Position des Sensors die beste Ausleuchtung des Gegenstandes ermöglicht. Nachteilig an den Verfahren nach dem Stand der Technik ist, daß die Eigenschaften, d.h. die Geometrieparameter der Meßvorrichtung einen Einfluß auf die Bestimmung der Koordinaten der Meßpunkte besitzen. Da- her müssen diese Geometrieparameter gewöhnlich vor Beginn der Messung durch Einmessen eines bekannten Objektes bestimmt werden.
Zur Bestimmung der drei Raumkoordinaten jedes Ober- flächenpunktes des zu vermessenden Objektes werden drei Maßzahlen benötigt, die gewöhnlich aus einem Phasenmeßwert und den zwei Pixelkoordinaten des Sensors bestehen. Nachteilig hieran ist, daß die räumliche Auflösung durch die Sensorauflösung beschränkt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung zur Verfügung zu stellen, das sich selbst kalibriert und eine hohe Meßpunktdichte bei zugleich rascher Koordinatenbestimmung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 in Verbindung mit ihren kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Dadurch, daß der Gegenstand aufeinanderfolgend aus mindestens zwei vorbestimmten Richtungen und aus jeder dieser Richtungen wiederum mit mindestens zwei unabhängigen Lichtmustern nacheinander oder aus jeder Richtung mit einem Lichtmuster beleuchtet wird, des- sen Lichtintensität als Summe zweiter unabhängiger Lichtmuster beschrieben werden kann, stehen insgesamt mindestens vier Aufnahmen unabhängiger Lichtmuster oder zwei Aufnahmen voneinander unabhängiger und aus zwei unabhängigen Lichtmustern zusammengesetzter Lichtmuster zur Verfügung. Dies bedeutet, daß pro
Meßpunkt mindestens vier Phasenmeßwerte aus den insgesamt vier unabhängigen Lichtmustern bestimmt werden können. Damit stehen pro Meßpunkt mehr als die zur Koordinatenbestimmung des Meßpunktes benötigten drei unabhängigen Meßwerte zur Verfügung, so daß mit Hilfe der überzähligen Meßwerte zusätzlich die Geometrieparameter der Meßvorrichtung mit Hilfe ansonsten bekannter mathematischer Verfahren, wie beispielsweise dem Bündelausgleich, bestimmt werden können.
Allein aus den vier Phasenmeßwerten pro Meßpunkt lassen sich sämtliche benötigten Parameter und Koordinaten bestimmen. Da die Zahl der Meßpunkte sehr hoch ist, ist auch die Anzahl der überzähligen Phasenmeß- werte groß. So trägt beispielsweise bei einer Belichtung aus zehn oder zwanzig Richtungen jeder Meßpunkt sieben bzw. siebzehn überzählige Phasenmeßwerte zur Bestimmung der Geometrieparameter der Anordnung bei. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird folg- lieh ein selbsteinmessendes System zur Verfügung gestellt, da die neben den Meßwerten für eine Koordinatenberechnung unbedingt erforderlichen System- bzw. Geometrieparameter simultan mit den Koordinatenwerten bestimmt werden. Die in der Photogrammetrie notwendi- ge Bestimmung homologer Punkte mit Hilfe von Merkmalen, Korrelationstechniken oder Markierungen entfällt. Für das Zusammenfügen von Teilansichten werden keine Marken oder Paßpunkte benötigt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Anzahl der überzähligen Meßwerte weit größer als die Anzahl der zu bestimmenden Geometrieparameter. Es ist daher nicht mehr nötig, beispielsweise die optischen Abbildungseigenschaften des Sensorsystems, beispielsweise der CCD-Kamera, zu kennen. Das Meßverfahren wird daher unabhängig von den Eigenschaften der verwendeten Bestandteile des Meßsystems.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Als unabhängige Lichtmuster können vorteilhafterweise zwei Streifenmuster, beispielsweise Liniengitter, verwendet werden. Sind diese um einen vorbestimmten Winkel, idealerweise 90° , gegeneinander verdreht, so ist die Auswertung mit Hilfe einfacher mathematischer Algorithmen möglich. Darüber hinaus sind andere Winkeleinstellungen zwischen 0° und 90° möglich. In diesen Fällen kann man auch mehr als zwei Winkelstellungen benutzen.
Als Lichtmuster, dessen Lichtintensitat als Summe zweier unabhängiger Lichtmuster beschrieben werden kann, eignet sich beispielsweise ein additives Kreuzgitter. Ein derartiges Kreuzgitter kann als unabhängige Überlagerung zweier um 90° gegeneinander ver- drehter periodischer Liniengitter betrachtet werden.
In diesem Falle sind insgesamt nur zwei Aufnahmen zur Bestimmung von vier Phasenmeßwerten pro Meßpunkt nötig. Dadurch läßt sich die Meßdauer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter verkürzen. Wird zur Belichtung der einzelnen Lichtmuster jeweils dieselbe Projektionsvorrichtung verwendet, so müssen lediglich aus den Phasenmeßwerten die Geometrie- und Abbildungseigenschaften dieser Projektionsvorrichtung bestimmt werden. Selbstverständlich muß in diesem Falle die Projektionsvorrichtung zwischen den einzelnen Belichtungsvorgängen verschoben werden.
Im folgenden werden einige vorteilhafte Ausführungs- beispiele der beschriebenen Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Unter- schied zu den bisher bekannten Streifenprojektions- oder Gray-Code-Verfahren auf das zu vermessende Objekt aus mindestens zwei unterschiedlichen, beliebig auswählbaren Richtungen ein oder mehrere Liniengitter bzw. Gray-Code-Sequenzen projiziert. Für jede Be- leuchtungsrichtung werden durch mindestens eine Kamera die erzeugten Intensitätsverteilungen registriert, die eine Berechnung der Phasenmeßwerte unter Verwendung ansonsten bereits bekannter Phase-Step- oder Phase-Shift-Techniken bzw. Kombinationen von Gray- Code- und Phase-Step-Techniken für jeden Meßpunkt erlauben. Dabei bleibt die Position der Kamera bzw. Kameras während der Registrierung unverändert. In einem anschließenden Schritt werden die Gitterlinien oder die Gray-Code-Sequenz um 90° oder auch um einen oder mehrere Winkel zwischen 0° und 90° gedreht und aus der gleichen Richtung erneut auf den Gegenstand projiziert, wobei die Drehachse senkrecht auf der Gitterfläche steht. Es werden wie im ersten Schritt für die Berechnung der Phasenmeßwerte mit der minde- stens einen Kamera Intensitätsverteilungen auf der Objektoberfläche aufgenommen. Auch dieser Schritt wird für mindestens eine zweite Beleuchtungsrichtung wiederholt. Die so gemessenen Phasenwerte . (Phasenmeßwert für die erste Gitterstellung) und Ψ. (Phasen- meßwert nach 90° Gitterdrehung) entsprechen Koordinatenmeßwerten in der Gitterebene des Projektors, wobei der Index j die Anzahl der Beleuchtungseinrichtungen oder Beleuchtungsrichtungen angibt. Unter Verwendung der in der Fotogrammetrie üblichen Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Maßzahl (Phasenmeßwert) und Koordinaten ergibt sich:
Λ J j° r13j (x-Xj) +r23j {y-yOJ) +x33] (z-zoj)
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wobei bedeuten: x, y, z: Koordinaten des Meßpunktes in einem vorgegebenen Sensorkoordinatensystem, xOJ, y0J, zOJ: Koordinaten der Projektionszentren des
Projektionsobjektivs in den unterschiedlichen Projektorpositionen, rui : Matrixelemente einer Drehmatrix, die die Drehung des Gitterkoordinatensystems gegen das Koordinatensystem x, y, z beschreiben, - JT-JO- Phasenwerte am Hauptpunkt des Projektors, c: Projektorkonstante, die den senkrechten Abstand zwischen Gitterebene und ProjektionsZentrum beschreibt, c ist ein Parameter, der für alle Projektorpositionen gleich ist und
Λ: Linienabstand des Gitters.
Der funktionale Zusammenhang zwischen Phasenmeßwerten und Koordinaten kann in einfacher Weise so erweitert werden, daß auch die Verzeichnung der Projektorlinse als Geometrieparameter mit berücksichtigt wird. Mit Hilfe bekannter mathematischer Algorithmen können aus den mit mindestens zwei unterschiedlichen Projek- tionsrichtungen gewonnenen Phasenmeßwerten sowohl die Koordinaten der Meßpunkte als auch die Sensorparameter gleichzeitig berechnet werden.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit zwei Projektoren 2 und 4 sowie einer CCD-Kamera 3.
Wie oben beschrieben, werden mit Hilfe der Projektoren 2 und 4 aus zwei verschiedenen Richtungen jeweils zwei Streifenmuster mit zwischenhzeitlicher Gitterdrehung (Fig. 2A und Fig. 2B) auf einen Gegenstand 1 projiziert, die durch die CCD-Kamera 3 aufgezeichnet werden. Mit Hilfe der oben beschriebenen mathematischen Algorithmen werden aus diesen aufgezeichneten Bildern der Oberfläche des Gegenstandes 1 mindestens vier Phasenmeßwerte für jeden Meßpunkt und aus diesen Phasenmeßwerten die Koordinaten des Meßpunktes sowie die Geometrie- und Abbildungseigenschaften der Meßvorrichtung bestimmt.
Fig. 2 zeigt die aufeinanderfolgende Projektion senk- recht aufeinanderstehender Streifenmuster auf einen Gegenstand 1. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. In Fig. 2A ist eine Projektionsvorrichtung dargestellt, die eine Lichtquelle 5, eine Kondensorlinse 6, ein Streifengitter 7a und ein Pro- jektionsobjektiv 8 aufweist. In einem ersten Schritt wird von der Projektionsvorrichtung mit Hilfe des Liniengitters 7a ein senkrecht stehendes Linienmuster auf den zu vermessenden Gegenstand 1 projiziert. Das auf dem Gegenstand 1 erzeugte Streifenmuster wird durch eine Kamera aufgezeichnet. In einem zweiten
Schritt wird das Liniengitter 7a um 90° gedreht und wie in Fig. 2B als Liniengitter 7b von der Projektionsvorrichtung auf den Gegenstand 1 projiziert. Auch dieses auf der Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes erzeugte Linienmuster wird von der Kamera aufgezeichnet .
Die mit Fig. 2A und Fig. 2B erläuterten Schritte werden aus einer zweiten Projektionsrichtung wiederholt. Damit stehen insgesamt vier unterschiedliche Licht- uster zur Auswertung zur Verfügung. Da jedes Licht- muster für jeden Meßpunkt der Oberfläche des Gegenstandes 1 einen Phasenmeßwert ergibt, stehen pro Meßpunkt vier Phasenmeßwerte zur Bestimmung der Koordi- naten der Meßpunkte und der Geometrieparameter der Meßanordnung zur Verfügung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten von Gegenständen (1) und/oder deren zeit- licher Änderung, wobei der Gegenstand mit einer
Projektionsvorrichtung (2,4) aus mindestens zwei vorbestimmten Richtungen mit Lichtmustern belichtet wird und diese Lichtmuster punktweise - mit mindestens einem räumlich mindestens zweidi- mensional auflösenden Sensorsystem (3) aufgezeichnet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gegenstand (1) aufeinanderfolgend aus mindestens zwei vorbestimmten Richtungen entwe- der nacheinander mit mindestens zwei unabhängigen Lichtmustern oder mit einem Lichtmuster belichtet wird, dessen Lichtintensitäten als Summe zweier unabhängiger Lichtmuster beschrieben werden kann, daß diese Lichtmuster mit dem mindestens einen
Sensorsystem (3) aufgezeichnet werden, daß aus den aufgezeichneten Lichtmustern mindestens vier Phasenmeßwerte für jeden aufgezeichneten Punkt der Oberfläche des Gegenstandes be- stimmt werden und daß aus diesen mindestens vier Phasenmeßwerten die räumlichen Koordinaten der Punkte und/oder deren zeitliche Änderung bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (1) aus mindestens einer der mindestens zwei vorbestimmten Richtungen nacheinander mit zwei Streifenmustern, beispielsweise Liniengittern, als unabhängige Lichtmuster belichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (1) aus mindestens einer der mindestens zwei Richtungen nacheinander mit zwei Streifenmustern belichtet wird, wobei die Streifen der beiden Streifenmuster einen vorbestimmten Winkel einschließen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (1) aus mindestens einer der mindestens zwei Richtungen nacheinander mit zwei Streifenmustern belichtet wird, wobei die Streifen der beiden Streifenmuster senkrecht aufeinander stehen.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (1) aus mindestens einer der mindestens zwei vorbestimmten Richtungen mit einem additiven Kreuzgitter als Lichtmuster, dessen Lichtintensität als Summe zweier unabhängiger
Lichtmuster beschrieben werden kann, belichtet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt einzelner Lichtmuster Folgen von Lichtmustern verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, daß als Folge von Lichtmustern Gray-Code-
Sequenzen verwendet werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Belichtungen aus den beiden Richtungen die- selbe Projektionsvorrichtung (2,4) verwendet wird.
9. Vorrichtung zur Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten von Gegenständen (1) und/oder deren zeitlicher Änderung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens eine Projektionsvorrichtung (2,4) zur
Belichtung der Gegenstände (1) aufeinanderfolgend aus mindestens zwei vorbestimmten Richtungen entweder nacheinander mit mindestens zwei unabhängigen Lichtmustern oder mit einem Licht- muster, dessen Lichtintensitäten als Summe zweier unabhängiger Lichtmuster beschrieben werden kann, mindestens ein räumlich mindestens zweidimensio- nal auflösendes Sensorsystem (3) zur Aufzeich- nung der auf die Gegenstände (1) belichteten
Lichtmuster sowie eine Auswerteeinheit, die für jeden der aufgezeichneten Punkte der Oberfläche der Gegenstände aus den aufgezeichneten Lichtmustern mindestens vier Phasenmeßwerte bestimmt und aus den erhaltenen Phasenmeßwerten die Koordinaten der aufgezeichneten Punkte bzw. deren zeitliche Änderung bestimmt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (2,4) eine zwischen mindestens zwei verschiedenen Positionen bewegbaren Projektionseinheiten aufweist.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (2,4) zwei an verschiedenen Positionen befindliche Projektionseinheiten 2,4) aufweist .
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (2,4) Projektionseinheiten aufweist, die die Gegenstände mit Streifenmuster, Linienmuster und/oder additive Kreuzgitter, deren Lichtintensitäten als Summe zweier unabhängiger Lichtmuster beschrieben werden können, belichtet.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, daß sie aus den mindestens vier Phasenmeßwerten pro aufgezeich- netem Punkt der Oberfläche der Gegenstände (1) die Koordinaten der aufgezeichneten Punkte sowie die Parameter der Projektionsvorrichtung (2,4) bestimmt .
PCT/DE1997/001975 1996-09-05 1997-09-03 Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der räumlichen koordinaten von gegenständen WO1998010244A1 (de)

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